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新型功能生物有机肥的制备及其缓解黑土中残留阿特拉津对大豆幼苗胁迫的机制

陈玉坤  
【摘要】:阿特拉津是东北玉米主产区常用的三嗪类除草剂,其在农田中的残留可对后茬大豆等敏感作物产生植物毒性,对粮食安全构成极大威胁。此外,农业有机固体废弃物长期以来被认为是一种重要的农业面源污染物。能否在消减农田中阿特拉津残留的同时又实现农业有机固体废弃物的资源化利用值得深入研究与探讨。本文在探讨接种外源菌剂对牛粪高温堆肥物料腐熟程度影响的基础上,以牛粪有机肥、阿特拉津降解菌Arthrobacter sp.DNS10和生物炭为主要材料,制备具有阿特拉津降解功能的新型功能生物有机肥,并深入探讨上述新型功能生物有机肥缓解黑土中残留阿特拉津对大豆幼苗胁迫的能力与相关机制,以期为同步实现阿特拉津污染农田土壤修复与农业有机固体废弃物资源化利用提供理论基础与技术支撑。主要研究结果概括如下:本文对接种2%复合菌剂(v/v)牛粪高温堆肥过程中物料理化性质及腐熟度进行研究。结果表明,在堆肥过程中堆体含水率逐渐降低,其中在第3周至第6周,堆体不同区域含水率下降量为中层上层下层,接种菌剂堆体的含水率下降量比未接种菌剂的堆体多6.86-18.83%。在堆肥过程中,接种和未接种菌剂堆体的总有机碳含量均逐渐降低,至6周后趋于稳定并维持在35.00%-38.00%和39.00%-42.00%范围内。接种和未接种菌剂堆体的发芽指数随堆肥时间延长而逐渐上升,于第6周后稳定在100%-110%和90%-100%。接种菌剂延长堆体高温持续时间2-3d,堆体上层比中下层提前6d进入高温阶段。结合有机肥安全生产标准(NY525-2012),确定接种菌剂堆体和未接种菌剂堆体在第6周时达到腐熟。此外,本研究通过将腐熟指标进行相关性分析,建议GI、C/N、E_(465)/E_(665)、NH_4~+-N/NO_3~--N适宜作为牛粪堆肥腐熟度的辅助评价指标。利用紫外-可见光谱和荧光光谱研究了牛粪高温堆肥过程中可溶性有机物的腐殖化程度。研究结果表明:在堆肥过程中可溶性有机物质的紫外-可见光谱参数A_(226-400nm)、A_(260-280nm)、SUVA_(254)和SUVA_(280)分别由2.57/2.46、15.94/14.70、0.15/0.15、0.12/0.11逐渐增大至8.96/9.10、56.99/57.66、0.50/0.51、0.42/0.43(接种/未接种菌剂),同时基于荧光光谱的荧光区域积分分析和平行因子分析,确定可溶性有机物质中组分1(类蛋白质物质)的荧光强度在牛粪高温堆肥过程中逐渐减小甚至消失,而组分3(类腐殖质类物质)的荧光强度分别在接种和未接种菌剂堆体中增大了0.87、0.49倍和组分4荧光强度增大了2.32、1.78倍,表明堆肥过程中随类蛋白质物质降解及类腐殖质物质逐渐合成,物料的芳构化和腐殖化程度逐渐增强。基于上述腐熟的堆肥产品牛粪有机肥、生物炭、γ-聚谷氨酸以及阿特拉津降解菌Arthrobacter sp.DNS10研发具有阿特拉津去除能力的新型功能生物有机肥,探讨从土壤中去除阿特拉津及缓解阿特拉津对大豆生长的胁迫的可行性。采用D-最优混料试验设计方法,选择阿特拉津去除能力最好的配方并进行优化验证。结果表明,新型功能生物有机肥的最佳配方为:牛粪有机肥、生物炭和γ-聚谷氨酸的质量分数分别为76.20%、4.46%和8.63%,阿特拉津降解菌Arthrobacter sp.DNS10的用量为0.91×10~8CFU·g~(-1)。新型功能生物有机肥以5mg·kg~(-1)干土的添加量施入初始阿特拉津浓度为15.26±0.49 mg·kg~(-1)的污染土壤,培养10 d后土壤中阿特拉津的去除率可高达95.05%。采用盆栽试验研究了阿特拉津胁迫对大豆幼苗生长的影响及新型功能生物有机肥缓解胁迫的效果。结果表明,阿特拉津胁迫(初始浓度为10±0.00 mg·kg~(-1))导致大豆幼苗的生长和光合色素合成受到显著抑制,随着培养时间的延长,株重和根重分别为空白处理的50.66%-85.18%、74.77%-68.28%,叶绿素抑制率为49.34%-14.81%。另外,随着培养时间的延长,阿特拉津胁迫导致叶片中丙二醛的含量较空白处理增加31.42%-72.33%,脯氨酸大量累积,SOD活性显著提高。然而,在阿特拉津胁迫条件下施用新型功能生物有机肥,随着培养时间的延长,大豆幼苗生长指标能够恢复到正常水平;叶绿素的含量比空白处理提高16.19%-25%,达到显著差异水平(p≤0.05);叶片中丙二醛的含量逐渐下降至18.54±4.26μmol·g~(-1)·FW,叶片中脯氨酸含量下降28.34%-11.98%,与空白处理相比均无显著差异;叶片SOD活性增强,为阿特拉津胁迫条件下的1.00-1.29倍。因此,综合上述结果可以表明施用新型功能生物有机肥能够缓解阿特拉津对大豆幼苗生长的胁迫作用。利用转录组技术从分子水平探讨新型功能生物有机肥缓解阿特拉津对大豆幼苗生长胁迫的机制。GO功能富集分析和KEGG通路富集分析结果表明,大豆幼苗在受阿特拉津胁迫(10±0.00 mg·kg~(-1))时,叶片中脂质代谢过程、光合作用、有机羟基化合物代谢及辅因子代谢过程受到抑制或破坏。新型功能生物有机肥主要是调控与植物昼夜节律、蛋白质折叠、分类和降解、碳水化合物代谢、次级代谢、代谢等生理过程相关基因的表达来缓解阿特拉津对大豆幼苗叶片的胁迫。基于基因共表达网络分析确定了来自C2H2、MYB、FAR1、GRAS和m TERF转录家族的9个基因转录因子为大豆幼苗叶片响应阿特拉津胁迫下施用新型功能生物有机肥的核心调节中枢。新型功能生物有机肥能够缓解阿特拉津对大豆幼苗生长胁迫与其调控上述5个转录家族的基因转录因子的上调表达有关。


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